JP2015106627A - Semiconductor laminated substrate - Google Patents

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雅之 田尻
Masayuki Tajiri
雅之 田尻
信明 寺口
Nobuaki Teraguchi
信明 寺口
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a semiconductor laminated substrate capable of suppressing generation of a two-dimentional carrier gas that can be a lateral direction leakage source.SOLUTION: A semiconductor laminated substrate comprises first, second, third, and fourth semiconductor layers of nitride semiconductor. The second semiconductor layer is arranged above the first semiconductor layer, and the third semiconductor layer is arranged on an upper surface of the second semiconductor layer, and the fourth semiconductor layer is arranged on an upper surface of the first semiconductor layer and below the second semiconductor layer, respectively. Bandgaps of the second and fourth semiconductor layers are respectively smaller than that of the first semiconductor layer, and a bandgap of the third semiconductor layer is larger than that of the second semiconductor layer. The second and third semiconductor layers form a heterojunction, and are configured so that a first two-dimentional carrier gas layer can be generated on a lower layer side of an interface between the second and third semiconductor layers. Bandgaps are substantially the same as each other from the second semiconductor layer to the fourth semiconductor layer. The first and fourth semiconductor layer form a heterojunction. Impurities with the same conductivity type as a carrier that forms the first two-dimentional carrier gas layer exist in the fourth semiconductor layer.

Description

発明は、HEMT(High Electron Mobility Transistor)等に代表される半導体スイッチング素子に用いられる半導体積層基板に関する。   The present invention relates to a semiconductor multilayer substrate used for a semiconductor switching element typified by HEMT (High Electron Mobility Transistor).

窒化ガリウム(GaN)に代表されるIII−V族化合物半導体である窒化物半導体は、近年、パワーデバイス等のスイッチング素子への応用が期待されている。これは、窒化物半導体が、従来のシリコン(Si)を用いた半導体に比べ、バンドギャップが3.4eV程度と大きく、絶縁破壊電界が約10倍と高く、電子飽和速度が約2.5倍大きい等、パワーデバイスに好適な特性を有しているためである。   In recent years, nitride semiconductors, which are III-V group compound semiconductors represented by gallium nitride (GaN), are expected to be applied to switching elements such as power devices. This is because nitride semiconductors have a large band gap of about 3.4 eV, a dielectric breakdown electric field of about 10 times, and an electron saturation speed of about 2.5 times that of conventional semiconductors using silicon (Si). This is because it has characteristics suitable for power devices, such as being large.

例えば、炭化珪素(SiC)、サファイア(Al)、シリコン(Si)等の基板上に、GaN/AlGaNのヘテロ構造を設けたスイッチング素子が提案されている。当該パワーデバイスでは、GaNの結晶構造(ウルツ鉱型)のC軸方向における非対称性構造に起因する自発分極に加え、AlGaN及びGaNの格子不整合に起因するピエゾ効果による分極により、1×1012cm−2から1×1013cm−2程度の高い電子密度の2次元電子ガス層が生じる。当該スイッチング素子は、当該2次元電子ガス層の電子密度を制御することによって、所定の電極間が電気的に接続される状態(オン状態)と、所定の電極間が電気的に接続されない状態(オフ状態)と、を切り替える。 For example, a switching element is proposed in which a GaN / AlGaN heterostructure is provided on a substrate such as silicon carbide (SiC), sapphire (Al 2 O 3 ), or silicon (Si). In the power device, in addition to the spontaneous polarization due to the asymmetric structure in the C-axis direction of the crystal structure of GaN (wurtzite type), the polarization due to the piezoelectric effect due to lattice mismatch of AlGaN and GaN results in 1 × 10 12 A two-dimensional electron gas layer having a high electron density of about cm −2 to 1 × 10 13 cm −2 is generated. The switching element controls the electron density of the two-dimensional electron gas layer so that predetermined electrodes are electrically connected (on state) and predetermined electrodes are not electrically connected ( (Off state).

上記スイッチング素子の断面構造の一例を図9に示す。図9に示す従来構造のスイッチング素子100は、基板101、基板101の上面に形成されるバッファ層102、バッファ層102の上面に形成される意図的に不純物がドープされていないノンドープのGaNからなる電子走行層103、及び、電子走行層103の上面に形成されるAlGaNからなる電子供給層104で構成される半導体結晶基板105と、電子供給層104の上面に形成されるソース電極106及びドレイン電極107と、ソース電極106及びドレイン電極107間に形成されるゲート電極108を備える。ゲートリーク電流抑制等のために、ゲート電極108が電子供給層104の上面にゲート絶縁膜109を介して形成される場合もあり、図9に例示する構造が該当する。   An example of a cross-sectional structure of the switching element is shown in FIG. 9 includes a substrate 101, a buffer layer 102 formed on the upper surface of the substrate 101, and non-doped GaN which is formed on the upper surface of the buffer layer 102 and is not intentionally doped with impurities. A semiconductor crystal substrate 105 composed of an electron transit layer 103 and an electron supply layer 104 made of AlGaN formed on the upper surface of the electron transit layer 103, and a source electrode 106 and a drain electrode formed on the upper surface of the electron supply layer 104 107 and a gate electrode 108 formed between the source electrode 106 and the drain electrode 107. In some cases, the gate electrode 108 is formed on the upper surface of the electron supply layer 104 via the gate insulating film 109 in order to suppress the gate leakage current, and the structure illustrated in FIG.

上記スイッチング素子100は、ノーマリオン型の素子であり、ゲート電極108の電位がソース電極106と同電位(両電極間の電圧が0V)の場合であっても、またゲート電極108が電圧の印加されていないフローティング状態の場合であっても、電子走行層103の電子供給層104と接する界面に2次元電子ガス層110が生じ、オン状態となる。ドレイン電極107の電位をソース電極106より高くすることで、ドレイン電極107とソース電極106の間に電流が流れる。 The switching element 100 is a normally-on element, and even when the potential of the gate electrode 108 is the same as that of the source electrode 106 (the voltage between both electrodes is 0 V), the gate electrode 108 is applied with a voltage. Even in a floating state that is not performed, the two-dimensional electron gas layer 110 is generated at the interface of the electron transit layer 103 in contact with the electron supply layer 104 and is turned on. By making the potential of the drain electrode 107 higher than that of the source electrode 106, a current flows between the drain electrode 107 and the source electrode 106.

一方で、ゲート電極108の電位をソース電極106の電位を基準として閾値電圧よりも低電位の負電位にすると、ゲート電極108の下方において、電子走行層103の電子供給層104と接する界面に2次元電子ガス層110が生じず、オフ状態となる。この状態では、ドレイン電極107とソース電極106の間に電流は流れない。   On the other hand, when the potential of the gate electrode 108 is set to a negative potential lower than the threshold voltage with respect to the potential of the source electrode 106, 2 below the interface of the electron transit layer 103 contacting the electron supply layer 104 below the gate electrode 108. The three-dimensional electron gas layer 110 is not generated and is turned off. In this state, no current flows between the drain electrode 107 and the source electrode 106.

図10に示すように、電子走行層103とバッファ層102の間に、必要に応じて、電子走行層103よりも炭素濃度の高い耐圧層111が挿入される場合がある(例えば、特許文献1等参照)。耐圧層111を設けることにより、スイッチング素子の縦方向及び横方向の耐圧が改善され、リーク電流が抑制されることが期待されている。   As shown in FIG. 10, a pressure-resistant layer 111 having a carbon concentration higher than that of the electron transit layer 103 may be inserted between the electron transit layer 103 and the buffer layer 102 as necessary (for example, Patent Document 1). Etc.). By providing the withstand voltage layer 111, it is expected that the withstand voltage in the vertical direction and the horizontal direction of the switching element is improved and the leakage current is suppressed.

特開2010−245504号公報JP 2010-245504 A

しかしながら、上記の半導体積層基板を用いたスイッチング素子においては下記のような問題が懸念される。   However, there are concerns about the following problems in switching elements using the above-described semiconductor multilayer substrate.

バッファ層102は、Al組成の異なる膜を2種類以上組み合わせて周期的に数十層積層した超格子層からなる場合と、上層に行くほどAl組成が低くなるように組成の異なる層を数層積層した傾斜バッファ層からなる場合と、その両者を組み合わせた場合がある。共通して言えるのは、バッファ層102は電子走行層103に比べ、Al組成が大きく、バンドギャップが大きいことである。   The buffer layer 102 is composed of a superlattice layer in which several tens of layers having different Al compositions are combined and periodically laminated to several tens layers, and several layers having different compositions so that the Al composition becomes lower toward the upper layer. There are cases where the inclined buffer layers are laminated, and cases where both are combined. What can be said in common is that the buffer layer 102 has a larger Al composition and a larger band gap than the electron transit layer 103.

このため、電子走行層103の電子供給層104と接する界面で2次元電子ガス層110が発生するのと同様に、電子走行層103のバッファ層102と接する界面で2次元正孔ガス層112が発生する(図11(A)参照)。特許文献1に記載の耐圧層111を有する構造の場合(図10参照)、電子走行層103と耐圧層111のバンドギャップが同じか略同じ場合には、耐圧層111とバッファ層102の間がバンドギャップ差の大きなヘテロ接合界面となり、当該ヘテロ接合界面の耐圧層111側で2次元正孔ガス層112が発生する(図12参照)。   Therefore, the two-dimensional hole gas layer 112 is formed at the interface of the electron transit layer 103 in contact with the buffer layer 102 in the same manner as the two-dimensional electron gas layer 110 is generated at the interface of the electron transit layer 103 in contact with the electron supply layer 104. Occurs (see FIG. 11A). In the case of the structure having the breakdown voltage layer 111 described in Patent Document 1 (see FIG. 10), when the band gap between the electron transit layer 103 and the breakdown voltage layer 111 is the same or substantially the same, the gap between the breakdown voltage layer 111 and the buffer layer 102 is A heterojunction interface having a large band gap difference is formed, and a two-dimensional hole gas layer 112 is generated on the pressure-resistant layer 111 side of the heterojunction interface (see FIG. 12).

この2次元正孔ガス層112は、スイッチング素子がオフ状態であっても、ゲート電極108の下方に形成される空乏層113により排斥されることがない(図11(B)参照)。従って、当該2次元正孔ガス層112が、ソース電極106とドレイン電極107の間での横方向リークの原因となる可能性がある。   The two-dimensional hole gas layer 112 is not eliminated by the depletion layer 113 formed below the gate electrode 108 even when the switching element is in an off state (see FIG. 11B). Therefore, the two-dimensional hole gas layer 112 may cause a lateral leak between the source electrode 106 and the drain electrode 107.

特許文献1に記載のように、炭素を多く含む耐圧層を有する半導体積層基板を使用している場合、炭素原子は窒素原子に原子半径が近いため、耐圧層内の窒素欠陥を埋めるよう炭素原子に入り込んでいることが多く、当該炭素原子によって正孔が供給され得る。そのため、2次元正孔ガス層112の正孔密度がより高くなり、横方向リークが悪化する可能性がある。   As described in Patent Document 1, when a semiconductor laminated substrate having a pressure-resistant layer containing a lot of carbon is used, the carbon atom has a radius close to that of the nitrogen atom, so that the carbon atom fills the nitrogen defect in the pressure-resistant layer. In many cases, holes are supplied by the carbon atoms. Therefore, the hole density of the two-dimensional hole gas layer 112 becomes higher, and the lateral leakage may be deteriorated.

尚、電子走行層103の電子供給層104と接する界面に発生する2次元キャリアガス層が、2次元電子ガス層ではなく2次元正孔ガス層となる場合にも、電子走行層103或いは耐圧層111のバッファ層102と接する界面に、スイッチング素子がオフ状態であっても空乏層113により排斥されない2次元電子ガス層が発生し得るため、上記と同様に、横方向リークの原因となる可能性がある。   Even when the two-dimensional carrier gas layer generated at the interface of the electron transit layer 103 in contact with the electron supply layer 104 is not a two-dimensional electron gas layer but a two-dimensional hole gas layer, the electron transit layer 103 or the pressure-resistant layer is used. Since a two-dimensional electron gas layer that is not rejected by the depletion layer 113 may be generated at the interface of the buffer layer 102 in contact with the buffer layer 102 even when the switching element is in an OFF state, it may cause a lateral leakage as described above. There is.

本発明は、上記の問題点に鑑み、横方向リーク源となり得る2次元キャリアガスの発生の抑制された半導体積層基板を提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a semiconductor laminated substrate in which generation of a two-dimensional carrier gas that can be a lateral leakage source is suppressed.

上記目的を達成するため、本発明は、窒化物半導体の第1、第2、第3及び第4半導体層を備え、前記第2半導体層が前記第1半導体層の上方に配置され、前記第3半導体層が前記第2半導体層の上面上に配置され、前記第4半導体層が前記第1半導体層の上面上、且つ、前記第2半導体層の下方に配置され、前記第2半導体層及び前記第4半導体層のバンドギャップが夫々前記第1半導体層より小さく、前記第3半導体層のバンドギャップが前記第2半導体層より大きく、前記第2半導体層と前記第3半導体層が、ヘテロ接合し、前記第2及び第3半導体層間の界面の前記第2半導体層側に第1の2次元キャリアガス層が発生可能に構成され、前記第2半導体層の下面側界面、及び、前記第4半導体層の上面側界面において、他方側の半導体層との間のバンドギャップ差が、無いか、若しくは、前記第1の2次元キャリアガス層とは逆導電型の第2の2次元キャリアガス層が発生し得ない程度に微小であり、前記第1半導体層と前記第4半導体層がヘテロ接合し、前記第4半導体層に、前記第1の2次元キャリアガス層を形成するキャリアと同じ導電型の不純物が存在することを特徴とする半導体積層基板を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention includes first, second, third and fourth semiconductor layers of nitride semiconductor, the second semiconductor layer being disposed above the first semiconductor layer, Three semiconductor layers are disposed on the upper surface of the second semiconductor layer, the fourth semiconductor layer is disposed on the upper surface of the first semiconductor layer and below the second semiconductor layer, and the second semiconductor layer and The band gap of the fourth semiconductor layer is smaller than that of the first semiconductor layer, the band gap of the third semiconductor layer is larger than that of the second semiconductor layer, and the second semiconductor layer and the third semiconductor layer are heterojunction. The first two-dimensional carrier gas layer is configured to be generated on the second semiconductor layer side of the interface between the second and third semiconductor layers, the lower surface side interface of the second semiconductor layer, and the fourth Semiconductor on the other side at the upper surface side interface of the semiconductor layer There is no band gap difference between the first layer and the first two-dimensional carrier gas layer, or the second two-dimensional carrier gas layer having a conductivity opposite to that of the first two-dimensional carrier gas layer cannot be generated. A semiconductor having a heterojunction between a first semiconductor layer and the fourth semiconductor layer, and an impurity having the same conductivity type as a carrier forming the first two-dimensional carrier gas layer is present in the fourth semiconductor layer. A multilayer substrate is provided.

上記特徴の半導体積層基板では、第1半導体層の上面上、且つ、第2半導体層の下方に第4半導体層が挿入されたことで、第1半導体層と第2半導体層が直接ヘテロ接合した場合に、その界面の第2半導体層側近傍において発生する可能性のあった、第2及び第3半導体層間の界面の第2半導体層側に発生する第1の2次元キャリアガス層と逆導電型の第2の2次元キャリアガス層は、第2半導体層の下面側界面、及び、第4半導体層の上面側界面では発生せず、第1及び第4半導体層間の界面の第4半導体層側に移動して発生する可能性がある。しかし、当該第2の2次元キャリアガス層が発生する可能性のある箇所に、第1の2次元キャリアガス層を形成するキャリアと同じ導電型の不純物が存在することで、当該不純物によって生成されるキャリアと第2の2次元キャリアガス層のキャリアが互いに逆導電性であるので打ち消し合い、第2の2次元キャリアガス層中のキャリア密度が低下し、当該第2の2次元キャリアガス層の電気伝導度が大幅に低下する。従って、上記特徴の半導体積層基板を使用することで、当該第2の2次元キャリアガス層に起因する横方向リークが抑制される。   In the semiconductor laminated substrate having the above characteristics, the first semiconductor layer and the second semiconductor layer are directly heterojunctioned by inserting the fourth semiconductor layer on the upper surface of the first semiconductor layer and below the second semiconductor layer. The first two-dimensional carrier gas layer generated on the second semiconductor layer side of the interface between the second and third semiconductor layers, which may be generated in the vicinity of the second semiconductor layer side of the interface. The second two-dimensional carrier gas layer of the mold does not occur at the lower surface side interface of the second semiconductor layer and the upper surface side interface of the fourth semiconductor layer, and the fourth semiconductor layer at the interface between the first and fourth semiconductor layers It may occur when moving to the side. However, an impurity having the same conductivity type as that of the carrier forming the first two-dimensional carrier gas layer is present at a place where the second two-dimensional carrier gas layer may be generated. The carriers in the second two-dimensional carrier gas layer cancel each other because they are oppositely conductive, so that the carrier density in the second two-dimensional carrier gas layer decreases, and the second two-dimensional carrier gas layer Electrical conductivity is greatly reduced. Therefore, by using the semiconductor multilayer substrate having the above characteristics, lateral leakage due to the second two-dimensional carrier gas layer is suppressed.

尚、第1の2次元キャリアガス層が、例えば、2次元電子ガス層の場合は、第2の2次元キャリアガス層は2次元正孔ガス層であり、第1及び第4半導体層間の界面の第4半導体層側に存在する不純物はn型の不純物である。   When the first two-dimensional carrier gas layer is, for example, a two-dimensional electron gas layer, the second two-dimensional carrier gas layer is a two-dimensional hole gas layer, and the interface between the first and fourth semiconductor layers. Impurities existing on the fourth semiconductor layer side are n-type impurities.

更に好ましくは、上記特徴の半導体積層基板は、前記不純物は、前記第4半導体層の形成過程において添加された不純物を含む。   More preferably, in the semiconductor multilayer substrate having the above characteristics, the impurity includes an impurity added in the formation process of the fourth semiconductor layer.

具体的には、当該不純物は、第4半導体層への意図的なドープ等によって存在することになるので、当該不純物の濃度を、第2の2次元キャリアガス層のキャリア密度に応じて適正に調整することができる。   Specifically, since the impurity is present by intentional doping or the like to the fourth semiconductor layer, the concentration of the impurity is appropriately set according to the carrier density of the second two-dimensional carrier gas layer. Can be adjusted.

更に好ましくは、上記特徴の半導体積層基板は、前記第4半導体層の上面上、且つ、前記第2半導体層の下方に形成され、バンドギャップが前記第1半導体層より小さく、前記第2半導体層より炭素濃度の高い窒化物半導体の第5半導体層を、更に備える。   More preferably, the semiconductor multilayer substrate having the above characteristics is formed on an upper surface of the fourth semiconductor layer and below the second semiconductor layer, and has a band gap smaller than that of the first semiconductor layer, and the second semiconductor layer. A fifth semiconductor layer of a nitride semiconductor having a higher carbon concentration is further provided.

第5半導体層を備えることで、本半導体積層基板を使用したスイッチング素子において、縦方向及び横方向の耐圧が改善され、リーク電流が抑制されることが期待される。しかし、第2の2次元キャリアガス層が2次元正孔ガス層の場合は、上述の如く、第5半導体層から2次元正孔ガス層への正孔供給が発生し得るため、2次元正孔ガス層の正孔密度が上昇する可能性がある。しかし、本半導体積層基板では、2次元正孔ガス層が発生する可能性のある箇所に、第2の2次元キャリアガス層(2次元正孔ガス層)のキャリアと逆導電型の不純物(n型の不純物)が存在することで、2次元正孔ガス層の正孔密度の上昇を抑え、更に、低下させることが可能となる。これにより、第5半導体層を備えることで被る不利益を排除して、第5半導体層を備えることによる利益を享受することができる。   By providing the fifth semiconductor layer, it is expected that the breakdown voltage in the vertical direction and the horizontal direction is improved and the leakage current is suppressed in the switching element using the semiconductor laminated substrate. However, when the second two-dimensional carrier gas layer is a two-dimensional hole gas layer, as described above, hole supply from the fifth semiconductor layer to the two-dimensional hole gas layer can occur, so that the two-dimensional positive gas layer is generated. The hole density of the hole gas layer may increase. However, in this semiconductor multi-layer substrate, impurities of a conductivity type opposite to the carriers of the second two-dimensional carrier gas layer (two-dimensional hole gas layer) (n Type impurity), the increase in the hole density of the two-dimensional hole gas layer can be suppressed and further reduced. Thereby, the disadvantages caused by providing the fifth semiconductor layer can be eliminated, and the benefits of providing the fifth semiconductor layer can be enjoyed.

更に好ましくは、上記特徴の半導体積層基板は、前記第4半導体層が、不純物濃度と不純物の元素の少なくとも何れか一方が相互に異なる複数層で構成されている。   More preferably, in the semiconductor multilayer substrate having the above characteristics, the fourth semiconductor layer is formed of a plurality of layers in which at least one of an impurity concentration and an impurity element is different from each other.

このように、第4半導体層を複数層で構成することで、後述するように、縦方向の耐圧の向上や、第4半導体層の上側の半導体層の結晶性悪化の防止等を図ることができる。   As described above, by configuring the fourth semiconductor layer with a plurality of layers, as will be described later, it is possible to improve the vertical breakdown voltage, prevent the crystallinity of the semiconductor layer above the fourth semiconductor layer from deteriorating, and the like. it can.

ここで、第4半導体層を不純物濃度の異なる複数層で構成する場合、不純物濃度の高い層ほど、第1半導体層に近く配置するのが好ましい。また、第4半導体層を不純物元素の異なる複数層で構成する場合、置換される原子と原子半径の近い不純物ほど、第1半導体層に近く配置するのが好ましい。   Here, when the fourth semiconductor layer is formed of a plurality of layers having different impurity concentrations, it is preferable that the higher the impurity concentration, the closer to the first semiconductor layer. In the case where the fourth semiconductor layer is composed of a plurality of layers having different impurity elements, it is preferable that an impurity having an atomic radius closer to that of a substituted atom is arranged closer to the first semiconductor layer.

更に好ましくは、上記特徴の半導体積層基板は、前記第1の2次元キャリアガス層が2次元電子ガス層であり、前記第2の2次元キャリアガス層が2次元正孔ガス層であり、前記第1半導体層と前記第4半導体層の界面の前記第4半導体層側に存在する不純物がn型の不純物である。   More preferably, in the semiconductor multilayer substrate having the above characteristics, the first two-dimensional carrier gas layer is a two-dimensional electron gas layer, the second two-dimensional carrier gas layer is a two-dimensional hole gas layer, An impurity present on the fourth semiconductor layer side of the interface between the first semiconductor layer and the fourth semiconductor layer is an n-type impurity.

更に好ましくは、上記特徴の半導体積層基板は、前記第4半導体層が、前記n型の不純物としてSi、Ge、Sn、S、Te、O、Seの内の1種類または2種類以上の元素を含む。   More preferably, in the semiconductor multilayer substrate having the above characteristics, the fourth semiconductor layer has one or more elements selected from Si, Ge, Sn, S, Te, O, and Se as the n-type impurity. Including.

更に、上記特徴の半導体積層基板は、前記第4半導体層内に存在する多数キャリアである電子が、前記第4半導体層の第1半導体層との接合界面に発生する2次元正孔ガス層の正孔と再結合することで、前記2次元正孔ガス層の正孔密度が低減されていることを特徴とする。   Furthermore, the semiconductor multilayer substrate having the above-described characteristics is a two-dimensional hole gas layer in which electrons, which are majority carriers existing in the fourth semiconductor layer, are generated at the junction interface between the fourth semiconductor layer and the first semiconductor layer. The hole density of the two-dimensional hole gas layer is reduced by recombination with holes.

本発明は、更に、上記何れかの特徴の半導体積層基板と、前記半導体積層基板の前記第3半導体層の上面上に形成されたソース電極及びドレイン電極と、前記ソース電極と前記ドレイン電極の間の前記第3半導体層の上面上または上方に形成されたゲート電極と、を備えてなることを特徴とする半導体スイッチング素子を提供する。   The present invention further provides a semiconductor multilayer substrate having any one of the above characteristics, a source electrode and a drain electrode formed on an upper surface of the third semiconductor layer of the semiconductor multilayer substrate, and between the source electrode and the drain electrode. And a gate electrode formed on or above the third semiconductor layer. A semiconductor switching element is provided.

以上より、上記特徴の半導体積層基板を使用することにより、横方向リークの抑制されや半導体スイッチング素子を提供することができる。   As described above, by using the semiconductor laminated substrate having the above characteristics, it is possible to provide a semiconductor switching element in which lateral leakage is suppressed.

本発明の第1実施形態に係る半導体積層基板の構成を示す構造断面図1 is a structural cross-sectional view showing a configuration of a semiconductor multilayer substrate according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2実施形態に係る半導体積層基板の構成を示す構造断面図Structural sectional drawing which shows the structure of the semiconductor laminated substrate which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3実施形態に係る半導体積層基板の構成を示す構造断面図Structural sectional drawing which shows the structure of the semiconductor laminated substrate which concerns on 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態に係る半導体積層基板の構成を示す構造断面図Structural sectional drawing which shows the structure of the semiconductor laminated substrate which concerns on 4th Embodiment of this invention. 本発明に係る半導体積層基板を使用したスイッチング素子の第1の構成例を示す構造断面図Structural sectional view showing a first configuration example of a switching element using a semiconductor multilayer substrate according to the present invention 本発明に係る半導体積層基板を使用したスイッチング素子の第2の構成例を示す構造断面図Structural sectional view showing a second configuration example of a switching element using a semiconductor multilayer substrate according to the present invention 本発明に係る半導体積層基板を使用したスイッチング素子の第3の構成例を示す構造断面図Structural sectional view showing a third configuration example of a switching element using a semiconductor multilayer substrate according to the present invention 本発明に係る半導体積層基板を使用したスイッチング素子の第4の構成例を示す構造断面図Structural sectional view showing a fourth configuration example of a switching element using a semiconductor multilayer substrate according to the present invention 従来の半導体積層基板を使用したスイッチング素子の一構成例を示す構造断面図Structural sectional view showing an example of the configuration of a switching element using a conventional semiconductor multilayer substrate 従来の半導体積層基板を使用したスイッチング素子の他の構成例を示す構造断面図Structural sectional view showing another configuration example of a switching element using a conventional semiconductor multilayer substrate 図9に示す従来の半導体積層基板を使用したスイッチング素子の問題点を示す構造断面図Structural sectional view showing problems of switching elements using the conventional semiconductor multilayer substrate shown in FIG. 図10に示す従来の半導体積層基板を使用したスイッチング素子の問題点を示す構造断面図Cross-sectional view of structure showing problems of switching element using conventional semiconductor multilayer substrate shown in FIG.

以下に、本発明に係る半導体積層基板(以降、適宜「本積層基板」と称する)の実施形態について、図面を参照して説明する。尚、以下の各実施形態では、説明の理解を容易にするために、各図において同一の構成要素には同一の符号を付して説明する。また、各図の構造断面図では、適宜、要部が強調して示されており、図面上の各構成要素の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致するものではない。   Hereinafter, embodiments of a semiconductor multilayer substrate according to the present invention (hereinafter, appropriately referred to as “the present multilayer substrate”) will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same components are denoted by the same reference numerals in the drawings to facilitate the understanding of the description. Further, in the structural cross-sectional views of the respective drawings, the main parts are appropriately emphasized, and the dimensional ratios of the respective constituent elements on the drawings do not necessarily coincide with the actual dimensional ratios.

〈第1実施形態〉
第1実施形態に係る本積層基板1の構成例を、図1の構造断面図に示す。図1に示すように、本積層基板1は、基板11、基板11の上面上に形成されたバッファ層12、バッファ層12の上方に形成された電子走行層13、電子走行層13の上面上に形成された電子供給層14、バッファ層12の上面上、且つ、電子走行層13の下方に形成されたn型層15を備える。バッファ層12、電子走行層13、電子供給層14、及び、n型層15は、夫々順番に、第1、第2、第3及び第4半導体層に相当し、何れも、周知の気相エピタキシャル成長法(例えば、MOCVD(有機金属化学的気相成長法)、MBE(分子線エピタキシ法)等)によって形成されるIII族窒化物半導体である。
<First Embodiment>
A structural example of the multilayer substrate 1 according to the first embodiment is shown in the structural cross-sectional view of FIG. As shown in FIG. 1, the multilayer substrate 1 includes a substrate 11, a buffer layer 12 formed on the upper surface of the substrate 11, an electron transit layer 13 formed above the buffer layer 12, and an upper surface of the electron transit layer 13. And an n-type layer 15 formed on the upper surface of the buffer layer 12 and below the electron transit layer 13. The buffer layer 12, the electron transit layer 13, the electron supply layer 14, and the n-type layer 15 correspond to the first, second, third, and fourth semiconductor layers, respectively, and are all well-known gas phases. It is a group III nitride semiconductor formed by an epitaxial growth method (for example, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy), etc.).

基板11は、例えば、シリコン(Si)、炭化珪素(SiC)、サファイア(Al)、窒化ガリウム(GaN)、窒化アルミニウム(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)、ガリウム砒素(GaAs)等から選択される。バッファ層12は、例えば、AlGa1−WN(但し、0≦W≦1)からなる。バッファ層12は、AlN(W=1の場合)、及び、GaN(W=0の場合)を含む。尚、基板11は、バッファ層12と同じ窒化物半導体を使用しても良い。また、基板11及びバッファ層12は、本積層基板1の反りやクラックが抑制されている限り、上記例示のものに限定されず、どのようなものを選択しても良い。 The substrate 11 is made of, for example, silicon (Si), silicon carbide (SiC), sapphire (Al 2 O 3 ), gallium nitride (GaN), aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), gallium arsenide (GaAs), or the like. Selected. The buffer layer 12 is made of, for example, Al W Ga 1-W N (where 0 ≦ W ≦ 1). The buffer layer 12 includes AlN (when W = 1) and GaN (when W = 0). The substrate 11 may use the same nitride semiconductor as the buffer layer 12. Further, the substrate 11 and the buffer layer 12 are not limited to those exemplified above as long as warpage and cracks of the laminated substrate 1 are suppressed, and any substrate may be selected.

電子走行層13は、例えば、厚さが1μm以上5μm以下のノンドープのInGa1−XN(但し、0≦X≦1)からなる。電子走行層13は、X=1の場合にInN、X=0の場合にGaNとなる。電子走行層13は結晶性が良いことが要求されるため、炭素濃度は1×1018cm−3以下が望ましく、更には、1×1016cm−3以下であることがより望ましい。尚、In組成比Xは0以上1以下の範囲を取り得るが、電子走行層13のバンドギャップは、バッファ層12のバンドギャップより小さいため、バッファ層12がGaN(W=0)の場合には、In組成比Xは0より大きく設定する。 The electron transit layer 13 is made of, for example, non-doped In X Ga 1-X N (where 0 ≦ X ≦ 1) having a thickness of 1 μm to 5 μm. The electron transit layer 13 is InN when X = 1 and GaN when X = 0. Since the electron transit layer 13 is required to have good crystallinity, the carbon concentration is desirably 1 × 10 18 cm −3 or less, and more desirably 1 × 10 16 cm −3 or less. Although the In composition ratio X can be in the range of 0 to 1, the band gap of the electron transit layer 13 is smaller than the band gap of the buffer layer 12, so that the buffer layer 12 is GaN (W = 0). In, the In composition ratio X is set larger than 0.

電子供給層14は、例えば、厚さが10nm以上100nm以下のノンドープAlGa1−ZN(但し、0<Z≦1)からなる。0.1≦Z≦0.3がより好ましい。尚、電子供給層14は、InAlGa1−Y−ZN(但し、0≦Y≦1、0<Z≦1)の4元窒化物半導体であっても良い。但し、電子供給層14のバンドギャップは、電子走行層13のバンドギャップよりも大きく、電子走行層13と電子供給層14はヘテロ接合している。このヘテロ接合界面の電子走行層13側近傍に、2次元電子ガス層16(第1の2次元キャリアガス層に相当)が生じる。尚、電子供給層14は、n型にドープされていても良く、この場合の不純物濃度としては、1×1016cm−3〜1×1019cm−3程度が好ましい。 Electron supply layer 14 is, for example, a non-doped a thickness of 10nm or more 100nm or less Al Z Ga 1-Z N (where, 0 <Z ≦ 1) consists. 0.1 ≦ Z ≦ 0.3 is more preferable. The electron supply layer 14, In Y Al Z Ga 1- Y-Z N ( where, 0 ≦ Y ≦ 1,0 <Z ≦ 1) of may be quaternary nitride semiconductor. However, the band gap of the electron supply layer 14 is larger than the band gap of the electron transit layer 13, and the electron transit layer 13 and the electron supply layer 14 are heterojunction. A two-dimensional electron gas layer 16 (corresponding to a first two-dimensional carrier gas layer) is generated near the electron transit layer 13 side of the heterojunction interface. The electron supply layer 14 may be doped n-type, and the impurity concentration in this case is preferably about 1 × 10 16 cm −3 to 1 × 10 19 cm −3 .

n型層15は、例えば、厚さが1nm以上100nm以下のInGa1−XN(但し、0≦X≦1)からなる。本実施形態では、n型層15のIn組成比Xは、電子走行層13のIn組成比Xと同じで、両層13,15のバンドギャップは同じである。尚、両層13,15のIn組成比Xは必ずしも同じでなくても構わないが、その差は、n型層15と電子走行層13の界面近傍に、2次元正孔ガス層(第2の2次元キャリアガス層に相当)が発生しない程度に微小であれば良い(例えば、バンドギャップ差にして0.2eV以下)。また、n型層15内の正孔発生源となり得る炭素の濃度は、1×1018cm−3以下が望ましく、更には、1×1016cm−3以下であることがより望ましい。 n-type layer 15, for example, the thickness is less 100nm or more 1nm In X Ga 1-X N ( where, 0 ≦ X ≦ 1) consists. In the present embodiment, the In composition ratio X of the n-type layer 15 is the same as the In composition ratio X of the electron transit layer 13, and the band gaps of both layers 13 and 15 are the same. It should be noted that the In composition ratio X of the two layers 13 and 15 does not necessarily have to be the same, but the difference is that the two-dimensional hole gas layer (second layer) is located near the interface between the n-type layer 15 and the electron transit layer 13. (E.g., a band gap difference of 0.2 eV or less). Further, the concentration of carbon that can be a hole generation source in the n-type layer 15 is desirably 1 × 10 18 cm −3 or less, and more desirably 1 × 10 16 cm −3 or less.

本実施形態では、n型層15には、Si、Ge、Sn、S、Te、O、Se等の内の1種類または2種類以上のn型の不純物が存在し、n型の導電性を呈する場合を想定する。上記n型の不純物の一つである酸素は、意図的にドープしなくても、例えば、装置部材である石英等から放出される酸素や、ウェハの搬入出や部材交換でチャンバーが大気に開放されたときに入った酸素が残って膜中に取り込まれる等の理由より、n型層15内に、1×1014cm−3〜1×1018cm−3程度の濃度範囲で含まれる可能性があり、n型層15は、意図的に上記n型の不純物をドープしなくてもn型の導電性を呈し得る。尚、上記理由より、意図的にドープしない場合におけるn型層15中の酸素濃度は、真空度の高いMBEよりMOCVDで成膜した場合の方が高くなる傾向がある。 In the present embodiment, the n-type layer 15 contains one or more n-type impurities of Si, Ge, Sn, S, Te, O, Se, etc., and has n-type conductivity. Assume the case. Even if oxygen which is one of the n-type impurities is not intentionally doped, for example, oxygen released from quartz or the like as an apparatus member, or the chamber is opened to the atmosphere by loading / unloading wafers or replacing members. For example, the oxygen that has entered when left is left and taken into the film, so that it can be contained in the n-type layer 15 in a concentration range of about 1 × 10 14 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3. The n-type layer 15 can exhibit n-type conductivity without intentionally doping the n-type impurity. For the above reason, the oxygen concentration in the n-type layer 15 when not intentionally doped tends to be higher when the film is formed by MOCVD than MBE having a high degree of vacuum.

従って、上述のn型の不純物をn型層15内に意図的にドープしない場合にn型層15内に存在する酸素の濃度が、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面のn型層15側に発生し得る2次元正孔ガス層の、n型層15内の多数キャリアである電子と再結合して低下する前の正孔密度(体積密度換算)に対して、同程度(例えば、0.1〜1倍程度)の密度となる多数キャリアである電子を供給し得る場合は、n型層15は、意図的に上記n型の不純物がドープされていないノンドープ層であっても良い。   Therefore, when the above-described n-type impurity is not intentionally doped into the n-type layer 15, the concentration of oxygen present in the n-type layer 15 depends on the n level of the heterojunction interface between the buffer layer 12 and the n-type layer 15. The two-dimensional hole gas layer that can be generated on the mold layer 15 side is comparable to the hole density (in terms of volume density) before recombining with electrons that are majority carriers in the n-type layer 15 and decreasing. When electrons that are majority carriers having a density of (for example, about 0.1 to 1 times) can be supplied, the n-type layer 15 is a non-doped layer that is not intentionally doped with the n-type impurity. May be.

しかし、上記2次元正孔ガス層の低下前の正孔密度(体積密度換算)が、上記酸素濃度に比して高い場合は、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面のn型層15側に高い正孔密度で2次元正孔ガス層が発生するため、n型層15内にn型の不純物を意図的にドープして、当該2次元正孔ガス層の正孔密度を積極的に低下させ、当該2次元正孔ガス層の発生を抑制する。   However, when the hole density before conversion of the two-dimensional hole gas layer (in terms of volume density) is higher than the oxygen concentration, the n-type at the heterojunction interface between the buffer layer 12 and the n-type layer 15 Since a two-dimensional hole gas layer is generated with a high hole density on the layer 15 side, n-type impurities are intentionally doped in the n-type layer 15 to reduce the hole density of the two-dimensional hole gas layer. It actively decreases and suppresses the generation of the two-dimensional hole gas layer.

一例として、電子走行層13と電子供給層14間のヘテロ接合界面に発生する2次元電子ガス層16の電子密度(面密度)が1×1013cm−2程度と特に高い場合等において、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面に発生する2次元正孔ガス層の正孔密度(面密度)も1×1012cm−2を大きく越えてくる場合に、体積密度に換算して、ノンドープのn型層15内の酸素濃度(1×1014cm−3〜1×1018cm−3程度)を大きく超えるため、当該ノンドープのn型層15内の電子では、当該2次元正孔ガス層の正孔を相殺しきれないため、n型層15内にn型の不純物を意図的にドープする。また、上記2次元正孔ガス層の正孔密度(面密度)が1×1012cm−2を大きく越えていない場合でも、それに比して、ノンドープのn型層15内の酸素濃度が低い場合は、n型層15内にn型の不純物を意図的にドープする。 As an example, when the electron density (surface density) of the two-dimensional electron gas layer 16 generated at the heterojunction interface between the electron transit layer 13 and the electron supply layer 14 is particularly high, such as about 1 × 10 13 cm −2 , the buffer When the hole density (surface density) of the two-dimensional hole gas layer generated at the heterojunction interface between the layer 12 and the n-type layer 15 also greatly exceeds 1 × 10 12 cm −2 , it is converted into a volume density. Thus, the oxygen concentration in the non-doped n-type layer 15 (approximately 1 × 10 14 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 ) is greatly exceeded. Since holes in the hole gas layer cannot be canceled out, n-type impurities are intentionally doped in the n-type layer 15. Further, even when the hole density (surface density) of the two-dimensional hole gas layer does not greatly exceed 1 × 10 12 cm −2 , the oxygen concentration in the non-doped n-type layer 15 is lower than that. In this case, the n-type layer 15 is intentionally doped with n-type impurities.

ここで、n型層15内にn型の不純物を意図的にドープする場合、過剰にドープすると、上記2次元正孔ガス層の正孔と相殺後も電子が多数残存することになり、当該残存する電子が、当該2次元正孔ガス層に代わって横方向のリーク源となり得るため、n型の不純物を意図的にドープするドープ層の厚みは、5nm以下、好ましくは3nm以下に制限するのが好ましい。つまり、当該2次元正孔ガス層が発生し得る可能性のある領域に限定してn型の不純物を意図的にドープするのが好ましい。これにより、当該2次元正孔ガス層の正孔と相殺後に残存する電子が新たな横方向のリーク源となるのを抑制できる。   Here, when the n-type impurity is intentionally doped in the n-type layer 15, if it is excessively doped, a large number of electrons remain even after canceling out the holes in the two-dimensional hole gas layer, Since the remaining electrons can be a lateral leakage source in place of the two-dimensional hole gas layer, the thickness of the doped layer intentionally doped with n-type impurities is limited to 5 nm or less, preferably 3 nm or less. Is preferred. That is, it is preferable to intentionally dope the n-type impurity in a region where the two-dimensional hole gas layer may be generated. Thereby, it can suppress that the electron which remains after cancelling with the hole of the said two-dimensional hole gas layer becomes a new lateral leak source.

更に、ドープ層の厚みを制限するのに代えて或いは追加して、n型不純物の高濃度領域を、横方向成長し難い条件(MOCVDの場合では、通常の成長条件に対して、一例として、低温、低圧、有機金属ガス流量大、アンモニア流量小、SiHやGeCl等の不純物ガス流量大、とする等)を用いて、バッファ層12の上面上において横方向(基板11の上面に平行な方向であって、本積層基板1を使用する半導体スイッチング素子のドレイン電極とソース電極間の電流が流れる方向。)に複数に離散させて形成し、その上側に、ノンドープ或いはn型の低濃度ドープ層を全面に形成して、n型層15を形成するのも好ましい。これにより、当該2次元正孔ガス層の正孔と相殺後に残存する電子が新たな横方向のリーク源となるのを抑制できる。 Further, instead of or in addition to limiting the thickness of the doped layer, the high concentration region of the n-type impurity is difficult to grow in the lateral direction (in the case of MOCVD, as an example of the normal growth condition, Using the low temperature, the low pressure, the high organometallic gas flow rate, the low ammonia flow rate, the high impurity gas flow rate such as SiH 4 or GeCl 4, etc., the lateral direction (parallel to the upper surface of the substrate 11) on the upper surface of the buffer layer 12. In which the current flows between the drain electrode and the source electrode of the semiconductor switching element using the multilayer substrate 1), and is formed on the upper side of the non-doped or n-type low concentration It is also preferable to form the n-type layer 15 by forming a doped layer on the entire surface. Thereby, it can suppress that the electron which remains after cancelling with the hole of the said two-dimensional hole gas layer becomes a new lateral leak source.

以上の結果、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面のn型層15側に発生し得る2次元正孔ガス層の正孔密度に応じた不純物濃度となるようにn型の不純物を有するn型層15を形成することで、n型層15内の電子が当該2次元正孔ガス層の正孔と相殺し、当該2次元正孔ガス層の正孔密度が低下し、電気伝導度が大幅に低下するため、本積層基板1の横方向リークを大幅に低減できる。   As a result of the above, the n-type impurity is adjusted so that the impurity concentration corresponds to the hole density of the two-dimensional hole gas layer that can be generated on the n-type layer 15 side of the heterojunction interface between the buffer layer 12 and the n-type layer 15. By forming the n-type layer 15 having, electrons in the n-type layer 15 cancel out with the holes in the two-dimensional hole gas layer, and the hole density in the two-dimensional hole gas layer is reduced. Since the conductivity is greatly lowered, the lateral leakage of the laminated substrate 1 can be greatly reduced.

〈第2実施形態〉
第2実施形態に係る本積層基板2の構成例を、図2の構造断面図に示す。図2に示すように、本積層基板2は、基板11、基板11の上面上に形成されたバッファ層12、バッファ層12の上方に形成された電子走行層13、電子走行層13の上面上に形成された電子供給層14、バッファ層12の上面上、且つ、電子走行層13の下方に形成されたn型層15、n型層15の上面上、且つ、電子走行層13の下方に形成された耐圧層17を備える。バッファ層12、電子走行層13、電子供給層14、n型層15、及び、耐圧層17は、夫々順番に、第1、第2、第3、第4及び第5半導体層に相当し、何れも、周知の気相エピタキシャル成長法(例えば、MOCVD(有機金属化学的気相成長法)、MBE(分子線エピタキシ法)等)によって形成されるIII族窒化物半導体である。
Second Embodiment
A structural example of the laminated substrate 2 according to the second embodiment is shown in the structural cross-sectional view of FIG. As shown in FIG. 2, the laminated substrate 2 includes a substrate 11, a buffer layer 12 formed on the upper surface of the substrate 11, an electron transit layer 13 formed above the buffer layer 12, and an upper surface of the electron transit layer 13. Formed on the upper surface of the electron supply layer 14 and the buffer layer 12 and on the upper surface of the n-type layer 15 and the n-type layer 15 formed below the electron transit layer 13 and below the electron transit layer 13. The formed withstand voltage layer 17 is provided. The buffer layer 12, the electron transit layer 13, the electron supply layer 14, the n-type layer 15, and the breakdown voltage layer 17 correspond to the first, second, third, fourth, and fifth semiconductor layers, respectively. Both are group III nitride semiconductors formed by a known vapor phase epitaxial growth method (for example, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy), etc.).

本積層基板2と第1実施形態の本積層基板1の相違点は、本積層基板2では、n型層15と電子走行層13の間に耐圧層17を備えている点であり、基板11、バッファ層12、電子走行層13、電子供給層14、及び、n型層15については、第1実施形態の本積層基板1と同じであり、重複する説明は割愛する。   The difference between the present multilayer substrate 2 and the present multilayer substrate 1 of the first embodiment is that the present multilayer substrate 2 includes a pressure-resistant layer 17 between the n-type layer 15 and the electron transit layer 13. The buffer layer 12, the electron transit layer 13, the electron supply layer 14, and the n-type layer 15 are the same as those of the multilayer substrate 1 of the first embodiment, and a duplicate description is omitted.

耐圧層17は、例えば、厚さが10nm以上5μm以下の炭素濃度が1×1018cm−3以上のノンドープのInGa1−XN(但し、0≦X≦1)からなる。耐圧層17は、X=1の場合にInN、X=0の場合にGaNとなる。本実施形態では、耐圧層17のIn組成比Xは、電子走行層13及びn型層15のIn組成比Xと同じで、各層13,15,17のバンドギャップは同じである。尚、各層13,15,17のIn組成比Xは必ずしも同じでなくても構わないが、その差は、耐圧層17と電子走行層13の界面近傍、及び、n型層15と耐圧層17の界面近傍に、2次元正孔ガス層(第2の2次元キャリアガス層に相当)が発生しない程度に微小(実質的に0)であれば良い(例えば、バンドギャップ差にして0.2eV以下)。 The breakdown voltage layer 17 is made of, for example, non-doped In X Ga 1-X N (where 0 ≦ X ≦ 1) having a carbon concentration of 10 nm to 5 μm and a carbon concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more. The breakdown voltage layer 17 is InN when X = 1 and GaN when X = 0. In the present embodiment, the In composition ratio X of the breakdown voltage layer 17 is the same as the In composition ratio X of the electron transit layer 13 and the n-type layer 15, and the band gaps of the layers 13, 15, and 17 are the same. The In composition ratios X of the layers 13, 15, and 17 do not necessarily have to be the same, but the difference is in the vicinity of the interface between the breakdown voltage layer 17 and the electron transit layer 13 and between the n-type layer 15 and the breakdown voltage layer 17. It is sufficient that the two-dimensional hole gas layer (corresponding to the second two-dimensional carrier gas layer) is not generated in the vicinity of the interface (substantially 0) (for example, a band gap difference of 0.2 eV). Less than).

本実施形態では、炭素濃度が1×1018cm−3以上の耐圧層17がn型層15の上面上に存在するために、本積層基板2の縦方向の耐圧改善効果が見込まれる。しかしながら、耐圧層17中の炭素原子が窒素原子と原子半径が近いため、耐圧層17内の窒素欠陥を埋めるように炭素原子が入り込んでいることが多く、その場合、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面のn型層15側に発生し得る2次元正孔ガス層に対して、正孔を供給し得る。従って、耐圧層17を備えていない第1実施形態の本積層基板1と比べて、当該2次元正孔ガス層の正孔密度がより高くなる可能性がある。 In the present embodiment, since the breakdown voltage layer 17 having a carbon concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more exists on the upper surface of the n-type layer 15, the breakdown voltage improvement effect in the vertical direction of the multilayer substrate 2 is expected. However, since the carbon atoms in the pressure-resistant layer 17 have an atomic radius close to that of the nitrogen atoms, carbon atoms often enter so as to fill the nitrogen defects in the pressure-resistant layer 17, and in that case, the buffer layer 12 and the n-type layer Holes can be supplied to the two-dimensional hole gas layer that can be generated on the n-type layer 15 side of the heterojunction interface between 15. Therefore, there is a possibility that the hole density of the two-dimensional hole gas layer is higher than that of the present laminated substrate 1 of the first embodiment that does not include the breakdown voltage layer 17.

第1実施形態において上述した通り、n型層15は、意図的にn型の不純物をドープしなくても、n型の不純物の一つである酸素が、1×1014cm−3〜1×1018cm−3程度の濃度範囲で含まれている可能性があり、n型の導電性を呈し得る。従って、耐圧層17から上記2次元正孔ガス層へ正孔が供給される場合であっても、n型層15内の電子と再結合して低下する前の当該2次元正孔ガス層の正孔密度(体積密度換算)に対して、n型層15が、同程度(例えば、0.1〜1倍程度)の濃度となる電子を供給し得る場合は、n型層15内に意図的にn型の不純物をドープしないノンドープ層であっても良い。 As described above in the first embodiment, the n-type layer 15 does not intentionally dope the n-type impurity, but oxygen as one of the n-type impurities is 1 × 10 14 cm −3 to 1 × 1. It may be contained in a concentration range of about × 10 18 cm −3 and may exhibit n-type conductivity. Therefore, even when holes are supplied from the pressure-resistant layer 17 to the two-dimensional hole gas layer, the two-dimensional hole gas layer before the recombination with the electrons in the n-type layer 15 is lowered. In the case where the n-type layer 15 can supply electrons having the same concentration (for example, about 0.1 to 1 times) with respect to the hole density (in terms of volume density), the n-type layer 15 is intended. Alternatively, it may be a non-doped layer not doped with n-type impurities.

しかし、電子走行層13と電子供給層14間のヘテロ接合界面に発生する2次元電子ガス層16の電子密度(面密度)が1×1013cm−2程度と特に高い場合以外にも、耐圧層17の炭素濃度が1×1019cm−3程度と特に高い場合にも、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面に発生する2次元正孔ガス層の正孔密度(面密度)が1×1012cm−2を大きく越えてくる場合がある。斯かる場合には、体積密度に換算して、ノンドープのn型層15内の酸素濃度(1×1014cm−3〜1×1018cm−3程度)を大きく超えるため、n型層15内の電子では、当該2次元正孔ガス層の正孔を相殺しきれないため、n型層15内にn型の不純物を意図的にドープする。また、上記2次元正孔ガス層の正孔密度(面密度)が1×1012cm−2を大きく越えていない場合でも、それに比して、ノンドープのn型層15内の酸素濃度が低い場合は、n型層15内にn型の不純物を意図的にドープする。 However, in addition to the case where the electron density (surface density) of the two-dimensional electron gas layer 16 generated at the heterojunction interface between the electron transit layer 13 and the electron supply layer 14 is particularly high as about 1 × 10 13 cm −2 , The hole density (surface density) of the two-dimensional hole gas layer generated at the heterojunction interface between the buffer layer 12 and the n-type layer 15 even when the carbon concentration of the layer 17 is particularly high of about 1 × 10 19 cm −3. ) May greatly exceed 1 × 10 12 cm −2 . In such a case, the oxygen concentration in the non-doped n-type layer 15 (about 1 × 10 14 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3 ) greatly exceeds the n-type layer 15 in terms of volume density. Since the electrons inside cannot completely cancel out the holes in the two-dimensional hole gas layer, the n-type impurity is intentionally doped into the n-type layer 15. Further, even when the hole density (surface density) of the two-dimensional hole gas layer does not greatly exceed 1 × 10 12 cm −2 , the oxygen concentration in the non-doped n-type layer 15 is lower than that. In this case, the n-type layer 15 is intentionally doped with n-type impurities.

n型の不純物を意図的にドープしたn型層15についての好適な製造条件等については、第1実施形態で上述したものと同じであるので、重複する割愛する。   Since suitable manufacturing conditions and the like for the n-type layer 15 intentionally doped with n-type impurities are the same as those described above in the first embodiment, they are omitted.

以上の結果、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面のn型層15側に発生し得る2次元正孔ガス層の正孔密度に応じた不純物濃度となるようにn型の不純物を有するn型層15を形成することで、n型層15の上面上に炭素濃度の高い耐圧層17を備える場合であっても、n型層15内の電子が当該2次元正孔ガス層の正孔と相殺し、当該2次元正孔ガス層の正孔密度が低下し、電気伝導度が大幅に低下するため、本積層基板2の横方向リークを大幅に低減できる。   As a result of the above, the n-type impurity is adjusted so that the impurity concentration corresponds to the hole density of the two-dimensional hole gas layer that can be generated on the n-type layer 15 side of the heterojunction interface between the buffer layer 12 and the n-type layer 15. By forming the n-type layer 15 having n, the electrons in the n-type layer 15 are converted into the two-dimensional hole gas layer even when the pressure-resistant layer 17 having a high carbon concentration is provided on the upper surface of the n-type layer 15. Since the hole density of the two-dimensional hole gas layer is reduced and the electrical conductivity is greatly reduced, the lateral leakage of the laminated substrate 2 can be greatly reduced.

〈第3実施形態〉
第3実施形態に係る本積層基板3の構成例を、図3の構造断面図に示す。図3に示すように、本積層基板3は、基板11、基板11の上面上に形成されたバッファ層12、バッファ層12の上方に形成された電子走行層13、電子走行層13の上面上に形成された電子供給層14、バッファ層12の上面上、且つ、電子走行層13の下方に形成されたn型層15を備える。バッファ層12、電子走行層13、電子供給層14、及び、n型層15は、夫々順番に、第1、第2、第3及び第4半導体層に相当し、何れも、周知の気相エピタキシャル成長法(例えば、MOCVD(有機金属化学的気相成長法)、MBE(分子線エピタキシ法)等)によって形成されるIII族窒化物半導体である。
<Third Embodiment>
A structural example of the laminated substrate 3 according to the third embodiment is shown in the structural cross-sectional view of FIG. As shown in FIG. 3, the multilayer substrate 3 includes a substrate 11, a buffer layer 12 formed on the upper surface of the substrate 11, an electron transit layer 13 formed above the buffer layer 12, and an upper surface of the electron transit layer 13. And an n-type layer 15 formed on the upper surface of the buffer layer 12 and below the electron transit layer 13. The buffer layer 12, the electron transit layer 13, the electron supply layer 14, and the n-type layer 15 correspond to the first, second, third, and fourth semiconductor layers, respectively, and are all well-known gas phases. It is a group III nitride semiconductor formed by an epitaxial growth method (for example, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy), etc.).

本積層基板3と第1実施形態の本積層基板1の相違点は、本積層基板3では、n型層15が単一層ではなく、n型の不純物の不純物濃度が互いに異なる2層以上のn型層15a,15bで構成されている点であり、基板11、バッファ層12、電子走行層13、及び、電子供給層14については、第1実施形態の本積層基板1と同じであり、重複する説明は割愛する。   The difference between the present laminated substrate 3 and the present laminated substrate 1 of the first embodiment is that, in the present laminated substrate 3, the n-type layer 15 is not a single layer, and n or more n layers having different impurity concentrations of n-type impurities. It is a point comprised by type | mold layers 15a and 15b, About the board | substrate 11, the buffer layer 12, the electron transit layer 13, and the electron supply layer 14, it is the same as this laminated substrate 1 of 1st Embodiment, and overlaps I will omit the explanation.

尚、図3の断面構造では、n型層15は、2層のn型層15a,15bで構成される場合を例示しているが、n型層15を構成する層数は3以上であっても良い。   In the cross-sectional structure of FIG. 3, the n-type layer 15 is exemplified by the two n-type layers 15a and 15b. However, the number of layers constituting the n-type layer 15 is three or more. May be.

更に、図3に例示する断面構造では、n型層15の上面上には、電子走行層13が配置されているが、第2実施形態と同様に、n型層15と電子走行層13の間に耐圧層17を設けても良い。尚、耐圧層17は、第2実施形態の本積層基板2と同じであり、重複する説明は割愛する。   Further, in the cross-sectional structure illustrated in FIG. 3, the electron transit layer 13 is disposed on the upper surface of the n-type layer 15, but the n-type layer 15 and the electron transit layer 13 are similar to those in the second embodiment. A pressure-resistant layer 17 may be provided therebetween. In addition, the pressure | voltage resistant layer 17 is the same as this laminated substrate 2 of 2nd Embodiment, The overlapping description is abbreviate | omitted.

上述の第1及び第2実施形態の本積層基板1,2において、単一層で形成されたn型層15が、n型の不純物を高濃度でドープした高濃度ドープ層である場合に、n型層15内の内部電界が高くなり、ノンドープ層の場合及びn型の不純物が低濃度である場合に比べて縦方向の耐圧が低下する。   In the laminated substrates 1 and 2 of the first and second embodiments described above, when the n-type layer 15 formed as a single layer is a high-concentration doped layer doped with an n-type impurity at a high concentration, n The internal electric field in the mold layer 15 becomes high, and the breakdown voltage in the vertical direction is reduced as compared with the case of the non-doped layer and the case where the n-type impurity has a low concentration.

そこで、本実施形態では、n型層15を2層以上のn型層15a,15bに分割して、n型の不純物の不純物濃度を下層側ほど高く、上層に向けて低下するように構成する。かかる多層構造とすることで、その中に低濃度層が含まれることで、縦方向の耐圧が改善される。ここで、下層側ほど不純物濃度を高くするのは、2次元正孔ガス層が下側のバッファ層12との界面近傍で発生するので、当該2次元正孔ガス層の正孔と相殺する電子の供給量の大きい不純物濃度の高い層を、2次元正孔ガス層の発生箇所近くに配置するためである。   Therefore, in the present embodiment, the n-type layer 15 is divided into two or more n-type layers 15a and 15b so that the impurity concentration of the n-type impurity is higher on the lower layer side and decreases toward the upper layer. . By adopting such a multilayer structure, the low-concentration layer is included in the multilayer structure, whereby the vertical breakdown voltage is improved. Here, the lower the lower layer side, the higher the impurity concentration is because the two-dimensional hole gas layer is generated in the vicinity of the interface with the lower buffer layer 12, so that the electrons canceling out the holes in the two-dimensional hole gas layer. This is because a layer with a high impurity concentration and a high impurity concentration is disposed near the location where the two-dimensional hole gas layer is generated.

多層構造のn型層15の最上層は、n型の不純物を意図的にドープしないが、酸素が1×1014cm−3〜1×1018cm−3程度の濃度範囲で含まれるn型ノンドープ層であっても良い。この場合は、上記耐圧の改善が特に期待される。 The uppermost layer of the n-type layer 15 having a multilayer structure is not intentionally doped with an n-type impurity, but an n-type in which oxygen is contained in a concentration range of about 1 × 10 14 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3. It may be a non-doped layer. In this case, the improvement of the breakdown voltage is particularly expected.

多層構造のn型層15の各層の厚さ及び不純物濃度は、n型層15内の電子と相殺される前の当該2次元正孔ガス層の正孔密度に応じて決めれば良い。一例として、n型層15をn型層15a,15bの2層で構成する場合、上層のn型層15bをノンドープ層とし、下層のn型層15aをドープ層として、n型層15aの不純物濃度を、当該2次元正孔ガス層の正孔密度に応じて、上層のn型層15bから供給される電子で相殺しきれない正孔を相殺できるように設定する。この場合、下層のn型層15aの厚さを、例えば、1nm以上、5nm以下より好ましくは3nm以下とし、n型層15全体の厚さを、例えば、100nm以下とするのが好ましい。   The thickness and impurity concentration of each layer of the n-type layer 15 having a multilayer structure may be determined according to the hole density of the two-dimensional hole gas layer before canceling out the electrons in the n-type layer 15. As an example, when the n-type layer 15 is composed of two layers, n-type layers 15a and 15b, the upper n-type layer 15b is a non-doped layer, the lower n-type layer 15a is a doped layer, and impurities in the n-type layer 15a The concentration is set according to the hole density of the two-dimensional hole gas layer so that holes that cannot be canceled out by electrons supplied from the upper n-type layer 15b can be canceled. In this case, it is preferable that the thickness of the lower n-type layer 15a is, for example, 1 nm or more and 5 nm or less, more preferably 3 nm or less, and the total thickness of the n-type layer 15 is, for example, 100 nm or less.

以上の結果、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面のn型層15側に発生し得る2次元正孔ガス層の正孔密度に応じた不純物濃度となるようにn型の不純物を意図的にドープしてn型層15を形成する場合に、当該n型の不純物が高濃度となり、縦方向の耐圧の低下が懸念される場合においても、n型層15を多層構造とし、不純物濃度を下層側ほど高く設定することで、当該耐圧の低下を抑制しつつ、n型層15内の電子が当該2次元正孔ガス層の正孔と相殺し、当該2次元正孔ガス層の正孔密度が低下し、電気伝導度が大幅に低下するため、本積層基板3の横方向リークを大幅に低減できる。   As a result of the above, the n-type impurity is adjusted so that the impurity concentration corresponds to the hole density of the two-dimensional hole gas layer that can be generated on the n-type layer 15 side of the heterojunction interface between the buffer layer 12 and the n-type layer 15. When the n-type layer 15 is formed by intentionally doping the n-type layer 15, the n-type layer 15 has a multi-layer structure even when the n-type impurity has a high concentration and there is a concern about a decrease in the breakdown voltage in the vertical direction. By setting the impurity concentration higher on the lower layer side, the electrons in the n-type layer 15 cancel out the holes in the two-dimensional hole gas layer while suppressing the decrease in the breakdown voltage, and the two-dimensional hole gas layer. The hole density is reduced and the electrical conductivity is greatly reduced, so that the lateral leakage of the laminated substrate 3 can be greatly reduced.

〈第4実施形態〉
第4実施形態に係る本積層基板4の構成例を、図4の構造断面図に示す。図4に示すように、本積層基板4は、基板11、基板11の上面上に形成されたバッファ層12、バッファ層12の上方に形成された電子走行層13、電子走行層13の上面上に形成された電子供給層14、バッファ層12の上面上、且つ、電子走行層13の下方に形成されたn型層15を備える。バッファ層12、電子走行層13、電子供給層14、及び、n型層15は、夫々順番に、第1、第2、第3及び第4半導体層に相当し、何れも、周知の気相エピタキシャル成長法(例えば、MOCVD(有機金属化学的気相成長法)、MBE(分子線エピタキシ法)等)によって形成されるIII族窒化物半導体である。
<Fourth embodiment>
A structural example of the multilayer substrate 4 according to the fourth embodiment is shown in the structural cross-sectional view of FIG. As shown in FIG. 4, the laminated substrate 4 includes a substrate 11, a buffer layer 12 formed on the upper surface of the substrate 11, an electron transit layer 13 formed above the buffer layer 12, and an upper surface of the electron transit layer 13. And an n-type layer 15 formed on the upper surface of the buffer layer 12 and below the electron transit layer 13. The buffer layer 12, the electron transit layer 13, the electron supply layer 14, and the n-type layer 15 correspond to the first, second, third, and fourth semiconductor layers, respectively, and are all well-known gas phases. It is a group III nitride semiconductor formed by an epitaxial growth method (for example, MOCVD (metal organic chemical vapor deposition), MBE (molecular beam epitaxy), etc.).

本積層基板4と第1実施形態の本積層基板1の相違点は、本積層基板4では、n型層15が単一層ではなく、n型の不純物となる元素が互いに異なる2層以上のn型層15c,15dで構成されている点であり、基板11、バッファ層12、電子走行層13、及び、電子供給層14については、第1実施形態の本積層基板1と同じであり、重複する説明は割愛する。   The difference between the present laminated substrate 4 and the present laminated substrate 1 of the first embodiment is that, in the present laminated substrate 4, the n-type layer 15 is not a single layer, and n or more n layers having different n-type impurity elements from each other. The substrate 11, the buffer layer 12, the electron transit layer 13, and the electron supply layer 14 are the same as those of the laminated substrate 1 of the first embodiment, and are overlapped. I will omit the explanation.

尚、図4の断面構造では、n型層15は、2層のn型層15c,15dで構成される場合を例示しているが、n型層15を構成する層数は3以上であっても良い。   In the cross-sectional structure of FIG. 4, the n-type layer 15 is exemplified by the two n-type layers 15c and 15d, but the number of layers constituting the n-type layer 15 is three or more. May be.

更に、図4に例示する断面構造では、n型層15の上面上には、電子走行層13が配置されているが、第2実施形態と同様に、n型層15と電子走行層13の間に耐圧層17を設けても良い。尚、耐圧層17は、第2実施形態の本積層基板2と同じであり、重複する説明は割愛する。   Furthermore, in the cross-sectional structure illustrated in FIG. 4, the electron transit layer 13 is disposed on the upper surface of the n-type layer 15, but the n-type layer 15 and the electron transit layer 13 are similar to those in the second embodiment. A pressure-resistant layer 17 may be provided therebetween. In addition, the pressure | voltage resistant layer 17 is the same as this laminated substrate 2 of 2nd Embodiment, The overlapping description is abbreviate | omitted.

上述の第1及び第2実施形態の本積層基板1,2において、単一層で形成されたn型層15(In組成比X≠1の場合、一例としてGaNの場合)が、n型の不純物としてSiを用いて意図的にドープされたドープ層である場合に、Siは置換されるIII族原子のGaとは原子半径に差があるため、1×1019cm−3以上の高濃度のドープを行うと膜の3次元成長による表面荒れを引き起こし、上側の配置された電子走行層13或いは耐圧層17の結晶性を悪化させる。このため、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面のn型層15側に発生し得る2次元正孔ガス層の正孔密度に応じて、n型層15を高不純物濃度とすることが困難となる。また、格子不整合による当該n型層15内での引っ張り応力により膜成長中にウェハが反ってしまう傾向がある。 In the laminated substrates 1 and 2 of the first and second embodiments described above, the n-type layer 15 formed as a single layer (in the case of In composition ratio X ≠ 1, as an example of GaN) is an n-type impurity. In the case of a doped layer intentionally doped with Si as Si, since Si has a difference in atomic radius from Ga of group III atoms to be substituted, a high concentration of 1 × 10 19 cm −3 or more Doping causes surface roughness due to the three-dimensional growth of the film, and deteriorates the crystallinity of the electron transit layer 13 or the breakdown voltage layer 17 disposed on the upper side. Therefore, the n-type layer 15 has a high impurity concentration according to the hole density of the two-dimensional hole gas layer that can be generated on the n-type layer 15 side of the heterojunction interface between the buffer layer 12 and the n-type layer 15. It becomes difficult. In addition, the wafer tends to warp during film growth due to tensile stress in the n-type layer 15 due to lattice mismatch.

一方、Geは、置換されるIII族原子のGaとは原子半径が近いため、n型の不純物としてSiを用いた場合の上記弊害が無く、3×1020cm−3以上の高濃度のドープが可能であり、上記2次元正孔ガス層の正孔密度に応じた広範囲での不純物濃度の設定が可能となる。 On the other hand, Ge has an atomic radius close to that of Ga of the group III atom to be substituted, and thus does not have the above-described adverse effects when Si is used as an n-type impurity, and has a high concentration of 3 × 10 20 cm −3 or more. It is possible to set the impurity concentration in a wide range according to the hole density of the two-dimensional hole gas layer.

そこで、本実施形態では、n型層15を2層以上のn型層15c,15dに分割して、下層側のn型層15cのn型の不純物としてGeを用い、上層側のn型層15dのn型の不純物としてSiを用いる。この場合、上記2次元正孔ガス層は、バッファ層12と下層側のn型層15c間のヘテロ接合界面のn型層15c側に発生するので、下層側のn型層15cの不純物濃度を、当該2次元正孔ガス層の正孔密度に応じて広範囲に設定することが可能となる。上層側のn型層15d内の電子でも当該2次元正孔ガス層内の正孔を相殺することができ、更に、n型層15の上側の半導体層において圧縮応力が発生する場合には、上層側のn型層15dで生じる引っ張り応力と当該上側の半導体層において生じる圧縮応力が打ち消し合って、膜成長中にウェハが反って割れてしまうのを抑制できる。具体的には、n型層15の上面上に耐圧層17が設けられている場合、その耐圧層17が圧縮応力を発生する上記半導体層に該当する。   Therefore, in this embodiment, the n-type layer 15 is divided into two or more n-type layers 15c and 15d, Ge is used as the n-type impurity of the lower n-type layer 15c, and the upper n-type layer is used. Si is used as the 15d n-type impurity. In this case, since the two-dimensional hole gas layer is generated on the n-type layer 15c side of the heterojunction interface between the buffer layer 12 and the lower n-type layer 15c, the impurity concentration of the lower n-type layer 15c is reduced. It is possible to set a wide range according to the hole density of the two-dimensional hole gas layer. Even electrons in the n-type layer 15d on the upper layer side can cancel holes in the two-dimensional hole gas layer, and when compressive stress is generated in the semiconductor layer on the upper side of the n-type layer 15, It is possible to suppress the tensile stress generated in the upper n-type layer 15d and the compressive stress generated in the upper semiconductor layer from canceling out, and the wafer from being warped and cracked during film growth. Specifically, when the breakdown voltage layer 17 is provided on the upper surface of the n-type layer 15, the breakdown voltage layer 17 corresponds to the semiconductor layer that generates compressive stress.

以上の結果、バッファ層12とn型層15間のヘテロ接合界面のn型層15側に発生し得る2次元正孔ガス層の正孔密度に応じた不純物濃度となるようにn型の不純物を意図的にドープしてn型層15を形成する場合に、n型層15を多層構造とし、バッファ層12と接する下層側のn型層15cの不純物を、置換される原子と原子半径の近い不純物(例えば、置換される原子がIII族のGaの場合には、Ge)とすることで、当該2次元正孔ガス層が発生する領域近傍の不純物濃度を、正孔密度に応じて高濃度にしても、3次元成長による表面荒れを引き起こすこと、並びに、上側の配置された電子走行層13或いは耐圧層17の結晶性を悪化させることが回避できる。更に、n型層15dの上面上に形成される半導体層に圧縮応力が生じる場合に、上層側のn型層15dに、引っ張り応力の生じる不純物をドープしたドープ層として、2種類の応力を打ち消し合うことで、当該応力によるウェハの反り及び割れ等を回避できる。更に、第3実施形態において上述したように、不純物濃度を下層側ほど高く設定することも可能であり、縦方向の耐圧の低下を抑制しつつ、本積層基板4の横方向リークを大幅に低減できる。   As a result of the above, the n-type impurity is adjusted so that the impurity concentration corresponds to the hole density of the two-dimensional hole gas layer that can be generated on the n-type layer 15 side of the heterojunction interface between the buffer layer 12 and the n-type layer 15. When the n-type layer 15 is formed by intentionally doping the n-type layer 15, the n-type layer 15 has a multi-layer structure, and impurities in the lower n-type layer 15 c in contact with the buffer layer 12 By using a close impurity (for example, Ge when the atom to be substituted is Group III Ga), the impurity concentration in the vicinity of the region where the two-dimensional hole gas layer is generated is increased according to the hole density. Even in the case of concentration, it is possible to avoid causing surface roughness due to three-dimensional growth and deteriorating the crystallinity of the electron transit layer 13 or the breakdown voltage layer 17 disposed on the upper side. Further, when compressive stress is generated in the semiconductor layer formed on the upper surface of the n-type layer 15d, the two types of stress are canceled out as a doped layer doped with an impurity that generates tensile stress in the upper n-type layer 15d. By matching, warpage and cracking of the wafer due to the stress can be avoided. Furthermore, as described above in the third embodiment, the impurity concentration can be set higher as the lower layer side, and the lateral leakage of the multilayer substrate 4 is greatly reduced while suppressing the decrease in the vertical breakdown voltage. it can.

〈第5実施形態〉
次に、第1乃至第4実施形態で説明した本積層基板1〜4を用いて構成される半導体スイッチング素子(以降、適宜「本スイッチング素子」と称する)の構成例を、図5〜図8の構造断面図に示す。尚、図5〜図8では、第1実施形態の本積層基板1を用いる場合を一例として示すが、使用する本積層基板は、第2乃至第4実施形態で説明した本積層基板2〜4であっても良く、また、本積層基板1〜4を基礎として変形されたものであっても良い。
<Fifth Embodiment>
Next, a configuration example of a semiconductor switching element (hereinafter, referred to as “the switching element” as appropriate) configured using the multilayer substrates 1 to 4 described in the first to fourth embodiments will be described with reference to FIGS. This is shown in the sectional view of FIG. 5 to 8 show, as an example, the case where the main substrate 1 of the first embodiment is used. The main substrates used are the main substrates 2 to 4 described in the second to fourth embodiments. It may be modified based on the present laminated substrates 1 to 4.

図5に示す本スイッチング素子5は、図1に示す本積層基板1と、本積層基板1の電子供給層14の上面上に形成されたソース電極18及びドレイン電極19と、ソース電極18とドレイン電極19の間の電子供給層14の上方に、ゲート絶縁膜20を介して形成されたゲート電極21を備えて構成される。   The switching element 5 shown in FIG. 5 includes the laminated substrate 1 shown in FIG. 1, the source electrode 18 and the drain electrode 19 formed on the upper surface of the electron supply layer 14 of the laminated substrate 1, the source electrode 18 and the drain. A gate electrode 21 formed via a gate insulating film 20 is provided above the electron supply layer 14 between the electrodes 19.

図6に示す本スイッチング素子6は、図1に示す本積層基板1と、本積層基板1の電子供給層14の上面上に形成されたソース電極18及びドレイン電極19と、ソース電極18とドレイン電極19の間の電子供給層14の上面上に形成された、電子供給層14とショットキ接合するゲート電極22を備えて構成される。   The switching element 6 shown in FIG. 6 includes the laminated substrate 1 shown in FIG. 1, the source electrode 18 and the drain electrode 19 formed on the upper surface of the electron supply layer 14 of the laminated substrate 1, the source electrode 18 and the drain. A gate electrode 22 formed on the upper surface of the electron supply layer 14 between the electrodes 19 and having a Schottky junction with the electron supply layer 14 is provided.

図7に示す本スイッチング素子7は、図1に示す本積層基板1と、本積層基板1の電子供給層14の上面上に形成されたソース電極18及びドレイン電極19と、ソース電極18とドレイン電極19の間の電子供給層14の上方に、p型層23を介して形成されたゲート電極24を備えて構成される。   The switching element 7 shown in FIG. 7 includes the laminated substrate 1 shown in FIG. 1, the source electrode 18 and the drain electrode 19 formed on the upper surface of the electron supply layer 14 of the laminated substrate 1, the source electrode 18 and the drain. A gate electrode 24 formed via a p-type layer 23 is provided above the electron supply layer 14 between the electrodes 19.

図8に示す本スイッチング素子8は、図1に示す本積層基板1と、本積層基板1の電子供給層14の上面上に形成されたソース電極18及びドレイン電極19と、ソース電極18とドレイン電極19の間の電子供給層14のエッチングにより薄膜化された部分の上に形成された、電子供給層14とショットキ接合するゲート電極25を備えて構成される。   The switching element 8 shown in FIG. 8 includes the laminated substrate 1 shown in FIG. 1, the source electrode 18 and the drain electrode 19 formed on the upper surface of the electron supply layer 14 of the laminated substrate 1, the source electrode 18 and the drain. A gate electrode 25 that is formed on the portion of the electron supply layer 14 between the electrodes 19 that has been thinned by etching and that has a Schottky junction with the electron supply layer 14 is provided.

本スイッチング素子5〜8のソース電極18とドレイン電極19は、電子供給層14とオーミック接合する周知の単層または多層構造の金属材料で形成されている。当該電極18,19の金属材料としては、例えば、Ti、Ni、Al、Cu、Au、Pt、W、Ta、Ru、Ir、Pd、Hf等が使用でき、更に、これらの何れか1以上を含む合金または窒化物等も使用できる。更に、多層構造の場合は、Ti/Al/TiN、Ti/Au、Ti/Al/Ni/Au等が使用できる。   The source electrode 18 and the drain electrode 19 of the switching elements 5 to 8 are formed of a well-known single layer or multilayer structure metal material that is in ohmic contact with the electron supply layer 14. As the metal material of the electrodes 18 and 19, for example, Ti, Ni, Al, Cu, Au, Pt, W, Ta, Ru, Ir, Pd, Hf, etc. can be used, and any one or more of these can be used. Including alloys or nitrides can also be used. Furthermore, in the case of a multilayer structure, Ti / Al / TiN, Ti / Au, Ti / Al / Ni / Au, etc. can be used.

本スイッチング素子5のゲート電極21は周知の単層または多層構造の金属材料で形成されている。ゲート絶縁膜20は周知の絶縁材料(例えば、SiO、AlO、HfO、LaO、ZrO、YO、SiN、AlN等)で形成されている。本スイッチング素子6のゲート電極22は電子供給層14とショットキ接合する周知の単層または多層構造の金属材料で形成されている。本スイッチング素子7のゲート電極24は周知の単層または多層構造の金属材料で形成されている。p型層23は、p型の不純物(例えば、Mg等)がドープされたIII族窒化物半導体(例えば、電子供給層14と同じAl組成比のAlGaN等)からなる。本スイッチング素子8のゲート電極25は電子供給層14とショットキ接合する周知の単層または多層構造の金属材料で形成されている。各ゲート電極21,22,24,25の金属材料としては、例えば、Ti、Ni、Al、Cu、Au、Pt、W、Ta、Ru、Ir、Pd、Hf等が使用でき、更に、これらの何れか1以上を含む合金または窒化物等も使用できる。更に、多層構造の場合は、W/TiN、W/WN、Ni/Au、Pd/Au等が使用できる。尚、ゲート電極21はゲート絶縁膜20上に形成されるため、電子供給層14とショットキ接合する必要がなく、材料選択に係る制約は少ない。また、ゲート電極24では、Niを含む場合が多い。 The gate electrode 21 of the switching element 5 is formed of a well-known single layer or multilayer metal material. The gate insulating film 20 is made of a known insulating material (for example, SiO X , AlO X , HfO X , LaO X , ZrO X , YO X , SiN, AlN, etc.). The gate electrode 22 of the switching element 6 is formed of a well-known single layer or multi-layer metal material that forms a Schottky junction with the electron supply layer 14. The gate electrode 24 of the switching element 7 is formed of a well-known single layer or multilayer metal material. The p-type layer 23 is made of a group III nitride semiconductor (eg, AlGaN having the same Al composition ratio as the electron supply layer 14) doped with a p-type impurity (eg, Mg). The gate electrode 25 of the switching element 8 is formed of a well-known single-layer or multi-layer metal material that forms a Schottky junction with the electron supply layer 14. As the metal material of each gate electrode 21, 22, 24, 25, for example, Ti, Ni, Al, Cu, Au, Pt, W, Ta, Ru, Ir, Pd, Hf, etc. can be used. An alloy or nitride containing any one or more can also be used. Furthermore, in the case of a multilayer structure, W / TiN, W / WN, Ni / Au, Pd / Au, etc. can be used. Since the gate electrode 21 is formed on the gate insulating film 20, it is not necessary to make a Schottky junction with the electron supply layer 14, and there are few restrictions on material selection. The gate electrode 24 often contains Ni.

図7及び図8に図示するように、本スイッチング素子7,8は、ゲート電極24,25の電位がソース電極18と同電位、或いは、ゲート電極24,25がフローティング状態の場合に、ゲート電極24,25の直下の電子走行層13と電子供給層14の界面下方のチャンネルが空乏化して2次元電子ガス層16が消滅するノーマリーオフ型の素子である。一方、図5及び図6に示す本スイッチング素子5,6は、図9に示す従来のスイッチング素子と同様に、ノーマリオン型の素子である。   As shown in FIGS. 7 and 8, the switching elements 7 and 8 are configured so that the gate electrodes 24 and 25 have the same potential as that of the source electrode 18 or when the gate electrodes 24 and 25 are in a floating state. This is a normally-off type device in which the channel below the interface between the electron transit layer 13 and the electron supply layer 14 immediately below 24 and 25 is depleted and the two-dimensional electron gas layer 16 disappears. On the other hand, the switching elements 5 and 6 shown in FIGS. 5 and 6 are normally-on type elements as in the conventional switching element shown in FIG.

尚、図5〜図8に例示する本スイッチング素子5〜8の各素子構造(特に各電極周辺の構造等)は一例であり、本積層基板1〜4は、上記素子構造以外の半導体スイッチング素子にも適用することができる。   Note that each element structure (especially a structure around each electrode) of the switching elements 5 to 8 illustrated in FIGS. 5 to 8 is an example, and the laminated substrates 1 to 4 are semiconductor switching elements other than the element structures described above. It can also be applied to.

〈別実施形態〉
以下に、本発明回路の別実施形態につき説明する。
<Another embodiment>
Hereinafter, another embodiment of the circuit of the present invention will be described.

上記各実施形態では、本積層基板及び本積層基板を用いた本スイッチング素子の好適な実施形態の一例を詳細に説明した。本積層基板及び本スイッチング素子の構成は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形実施が可能である。   In each of the above embodiments, an example of a preferred embodiment of the present laminated substrate and the present switching element using the present laminated substrate has been described in detail. The configurations of the multilayer substrate and the switching element are not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

〈1〉 上記第1〜第4実施形態では、電子走行層13と電子供給層14間のヘテロ接合界面に発生する第1の2次元キャリアガス層が2次元電子ガス層16である場合を想定したが、本発明は、第1の2次元キャリアガス層が2次元電子ガス層16である場合に限られるものではなく、第1の2次元キャリアガス層が逆の導電型の2次元ホールガス層である場合にも、本積層基板1〜4のn型層15の導電型をn型からp型に置き換えp型層とすることで、本発明を適用できる。但し、p型層の場合には、p型の不純物のドープを意図的に行う必要がある。尚、窒化物半導体にあっては、ホールよりも電子の移動度が大きいため、第1の2次元キャリアガス層を構成するキャリアが電子の場合(2次元電子ガス層)が好ましい。   <1> In the first to fourth embodiments, it is assumed that the first two-dimensional carrier gas layer generated at the heterojunction interface between the electron transit layer 13 and the electron supply layer 14 is the two-dimensional electron gas layer 16. However, the present invention is not limited to the case where the first two-dimensional carrier gas layer is the two-dimensional electron gas layer 16, and the first two-dimensional carrier gas layer is a two-dimensional hole gas having a conductivity type opposite to that of the first two-dimensional carrier gas layer. Even in the case of a layer, the present invention can be applied by replacing the conductivity type of the n-type layer 15 of the laminated substrates 1 to 4 from a p-type to a p-type layer. However, in the case of a p-type layer, it is necessary to intentionally dope a p-type impurity. In the nitride semiconductor, since the mobility of electrons is larger than that of holes, it is preferable that the carriers constituting the first two-dimensional carrier gas layer are electrons (two-dimensional electron gas layer).

〈2〉 上記第2実施形態では、耐圧層17をn型層15の上面上、且つ、電子走行層13の下方に形成する場合を想定したが、耐圧層17とn型層15を、夫々、バッファ層12の上面上、且つ、電子走行層13の下方の本積層基板2の厚み方向における同じ領域に重ねて形成するようにしても良い。つまり、上記第1実施形態の本積層基板1のn型層15内に炭素濃度が1×1018cm−3以上の領域を含む場合と同等となる。この場合も、上記第1及び第2実施形態の本積層基板1,2と同様に、炭素濃度の高い耐圧層17を備える場合であっても、n型層15内の電子が当該2次元正孔ガス層の正孔と相殺し、当該2次元正孔ガス層の正孔密度が低下し、電気伝導度が大幅に低下するため、本積層基板1の横方向リークを大幅に低減できる。 <2> In the second embodiment, it is assumed that the breakdown voltage layer 17 is formed on the upper surface of the n-type layer 15 and below the electron transit layer 13, but the breakdown voltage layer 17 and the n-type layer 15 are respectively formed. Further, it may be formed so as to overlap the same region in the thickness direction of the laminated substrate 2 on the upper surface of the buffer layer 12 and below the electron transit layer 13. That is, it is equivalent to the case where the n-type layer 15 of the multilayer substrate 1 of the first embodiment includes a region having a carbon concentration of 1 × 10 18 cm −3 or more. Also in this case, as in the case of the laminated substrates 1 and 2 of the first and second embodiments, even if the breakdown voltage layer 17 having a high carbon concentration is provided, electrons in the n-type layer 15 This cancels out the holes in the hole gas layer, the hole density of the two-dimensional hole gas layer decreases, and the electrical conductivity is greatly reduced. Therefore, the lateral leakage of the laminated substrate 1 can be greatly reduced.

〈3〉 上記第3実施形態では、本積層基板3のn型層15内のn型の不純物の不純物濃度を下層側ほど高く、上層に向けて、複数層に分割して段階的に低下する場合を想定したが、当該不純物濃度を、n型層15全体、或いは、分割された一部の層において、下層側から上層に向けて連続的に低下する不純物濃度分布にしても良い。   <3> In the third embodiment, the impurity concentration of the n-type impurity in the n-type layer 15 of the multilayer substrate 3 is higher on the lower layer side, and is divided into a plurality of layers and gradually decreases toward the upper layer. In some cases, the impurity concentration may be an impurity concentration distribution that continuously decreases from the lower layer side toward the upper layer in the entire n-type layer 15 or a part of the divided layers.

〈4〉 上記第4実施形態では、図4に例示する一例では、本積層基板4のn型層15をn型層15c,15dの2層に分割して、下層側のn型層15cのn型の不純物としてGeを用い、上層側のn型層15dのn型の不純物としてSiを用い、更に、下層側のn型層15cの不純物濃度を、上層側のn型層15dより高く設定した場合を説明したが、n型の不純物となる元素が互いに異なる2層以上のn型層15c,15dの不純物濃度は必ずしも、上記第3実施形態のように、下層側ほど高く、上層に向けて低下する濃度分布に設定しなくても良く、各n型層の濃度分布を同じにしても良い。   <4> In the fourth embodiment, in the example illustrated in FIG. 4, the n-type layer 15 of the laminated substrate 4 is divided into two layers, n-type layers 15 c and 15 d, and the n-type layer 15 c on the lower layer side is separated. Ge is used as the n-type impurity, Si is used as the n-type impurity of the upper n-type layer 15d, and the impurity concentration of the lower n-type layer 15c is set higher than that of the upper n-type layer 15d. However, the impurity concentration of the two or more n-type layers 15c and 15d having different n-type impurity elements is not necessarily higher in the lower layer side as in the third embodiment, and is directed toward the upper layer. Therefore, the concentration distribution of each n-type layer may be the same.

〈5〉 更に、上記第4実施形態では、n型の不純物となる元素が互いに異なる2層以上のn型層15c,15dは、何れも、各層のn型の不純物が意図的にドープされている場合を想定したが、当該2層以上のn型層の最上層は、n型の不純物を意図的にドープしないが、酸素が1×1014cm−3〜1×1018cm−3程度の濃度範囲で含まれるn型ノンドープ層であっても良い。 <5> Furthermore, in the fourth embodiment, each of the two or more n-type layers 15c and 15d having different n-type impurity elements is intentionally doped with n-type impurities in each layer. However, the uppermost layer of the two or more n-type layers is not intentionally doped with n-type impurities, but oxygen is about 1 × 10 14 cm −3 to 1 × 10 18 cm −3. An n-type non-doped layer included in a concentration range of may be used.

本発明に係る半導体積層基板は、半導体スイッチング素子に利用可能であり、特に、パワーデバイスに適用される半導体スイッチング素子において好適に利用可能である。   The semiconductor multilayer substrate according to the present invention can be used for a semiconductor switching element, and can be suitably used particularly for a semiconductor switching element applied to a power device.

1〜4: 半導体積層基板
5〜8: 半導体スイッチング素子
11,101: 基板
12,102: バッファ層(第1半導体層)
13,103: 電子走行層(第2半導体層)
14,104: 電子供給層(第3半導体層)
15: n型層(第4半導体層)
15a,15b: 不純物濃度の異なるn型層
15c,15d: 不純物元素の異なるn型層
16,110: 2次元電子ガス層(第1の2次元キャリアガス層)
17,111: 耐圧層
18,106: ソース電極
19,107: ドレイン電極
20,109: ゲート絶縁膜
21,22,24,25,108: ゲート電極
23: p型層
100: 従来の半導体スイッチング素子
105: 従来の半導体積層基板
112: 2次元正孔ガス層(第2の2次元キャリアガス層)
113: 空乏層
1-4: Semiconductor laminated substrate 5-8: Semiconductor switching element 11, 101: Substrate 12, 102: Buffer layer (first semiconductor layer)
13, 103: Electron traveling layer (second semiconductor layer)
14, 104: Electron supply layer (third semiconductor layer)
15: n-type layer (fourth semiconductor layer)
15a, 15b: n-type layers having different impurity concentrations 15c, 15d: n-type layers having different impurity elements 16, 110: two-dimensional electron gas layer (first two-dimensional carrier gas layer)
17, 111: Withstand voltage layer 18, 106: Source electrode 19, 107: Drain electrode 20, 109: Gate insulating film 21, 22, 24, 25, 108: Gate electrode 23: P-type layer 100: Conventional semiconductor switching element 105 : Conventional semiconductor multilayer substrate 112: Two-dimensional hole gas layer (second two-dimensional carrier gas layer)
113: Depletion layer

Claims (5)

窒化物半導体の第1、第2、第3及び第4半導体層を備え、
前記第2半導体層が前記第1半導体層の上方に配置され、
前記第3半導体層が前記第2半導体層の上面上に配置され、
前記第4半導体層が前記第1半導体層の上面上、且つ、前記第2半導体層の下方に配置され、
前記第2半導体層及び前記第4半導体層のバンドギャップが夫々前記第1半導体層より小さく、
前記第3半導体層のバンドギャップが前記第2半導体層より大きく、
前記第2半導体層と前記第3半導体層が、ヘテロ接合し、前記第2及び第3半導体層間の界面の前記第2半導体層側に第1の2次元キャリアガス層が発生可能に構成され、
前記第2半導体層の下面側界面、及び、前記第4半導体層の上面側界面において、他方側の半導体層との間のバンドギャップ差が、無いか、若しくは、前記第1の2次元キャリアガス層とは逆導電型の第2の2次元キャリアガス層が発生し得ない程度に微小であり、
前記第1半導体層と前記第4半導体層がヘテロ接合し、
前記第4半導体層に、前記第1の2次元キャリアガス層を形成するキャリアと同じ導電型の不純物が存在することを特徴とする半導体積層基板。
Comprising first, second, third and fourth semiconductor layers of nitride semiconductor;
The second semiconductor layer is disposed above the first semiconductor layer;
The third semiconductor layer is disposed on an upper surface of the second semiconductor layer;
The fourth semiconductor layer is disposed on an upper surface of the first semiconductor layer and below the second semiconductor layer;
Band gaps of the second semiconductor layer and the fourth semiconductor layer are smaller than the first semiconductor layer, respectively.
A band gap of the third semiconductor layer is larger than that of the second semiconductor layer;
The second semiconductor layer and the third semiconductor layer are heterojunctioned, and a first two-dimensional carrier gas layer can be generated on the second semiconductor layer side of the interface between the second and third semiconductor layers,
There is no band gap difference between the other semiconductor layer at the lower surface side interface of the second semiconductor layer and the upper surface side interface of the fourth semiconductor layer, or the first two-dimensional carrier gas. The layer is so small that a second two-dimensional carrier gas layer of a reverse conductivity type cannot be generated,
The first semiconductor layer and the fourth semiconductor layer are heterojunction,
A semiconductor multilayer substrate, wherein the fourth semiconductor layer contains impurities of the same conductivity type as carriers forming the first two-dimensional carrier gas layer.
前記不純物は、前記第4半導体層の形成過程において添加された不純物を含むことを特徴とする請求項1に記載の半導体積層基板。   The semiconductor multilayer substrate according to claim 1, wherein the impurity includes an impurity added in a process of forming the fourth semiconductor layer. 前記第4半導体層の上面上、且つ、前記第2半導体層の下方に形成され、バンドギャップが前記第1半導体層より小さく、前記第2半導体層より炭素濃度の高い窒化物半導体の第5半導体層を、更に備えることを特徴とする請求項1または2に記載の半導体積層基板。   A fifth semiconductor of a nitride semiconductor formed on the upper surface of the fourth semiconductor layer and below the second semiconductor layer, having a band gap smaller than that of the first semiconductor layer and having a carbon concentration higher than that of the second semiconductor layer. The layered semiconductor substrate according to claim 1, further comprising a layer. 前記第4半導体層が、不純物濃度と不純物の元素の少なくとも何れか一方が相互に異なる複数層で構成されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の半導体積層基板。   4. The semiconductor multilayer substrate according to claim 1, wherein the fourth semiconductor layer includes a plurality of layers in which at least one of an impurity concentration and an impurity element is different from each other. 5. . 前記第1の2次元キャリアガス層が2次元電子ガス層であり、前記第2の2次元キャリアガス層が2次元正孔ガス層であり、前記第1半導体層と前記第4半導体層の界面の前記第4半導体層側に存在する不純物がn型の不純物であることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の半導体積層基板。   The first two-dimensional carrier gas layer is a two-dimensional electron gas layer, the second two-dimensional carrier gas layer is a two-dimensional hole gas layer, and an interface between the first semiconductor layer and the fourth semiconductor layer The semiconductor multilayer substrate according to claim 1, wherein the impurity present on the fourth semiconductor layer side is an n-type impurity.
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